package com.kk.algorithm.kruskal;

import java.util.Arrays;
/*
 * @Description:    克鲁斯卡尔算法实现
 * @Author:         阿K
 * @CreateDate:     2021/2/9 16:01
 * @Param:
 * @Return:
**/
public class KruskalCase {

    public static void main(String[] args) {
        char[] vertexs = {'A', 'B', 'C', 'D', 'E', 'F', 'G'};
        //克鲁斯卡尔算法的邻接矩阵
        int matrix[][] = {
        // 说明： 0 是自己，INF 是不能连通
        /*A*//*B*//*C*//*D*//*E*//*F*//*G*/
        /*A*/ {0, 12, INF, INF, INF, 16, 14},
        /*B*/ {12, 0, 10, INF, INF, 7, INF},
        /*C*/ {INF, 10, 0, 3, 5, 6, INF},
        /*D*/ {INF, INF, 3, 0, 4, INF, INF},
        /*E*/ {INF, INF, 5, 4, 0, 2, 8},
        /*F*/ {16, 7, 6, INF, 2, 0, 9},
        /*G*/ {14, INF, INF, INF, 8, 9, 0}};

        //创建KruskalCase 对象实例
        KruskalCase kruskalCase = new KruskalCase(vertexs, matrix);
        //输出构建的
        kruskalCase.print();
        kruskalCase.kruskal ();
    }



    private int edgeNum;    // 边的个数
    private char[] vertexs; // 顶点数组
    private int[][] matrix; // 邻接矩阵
    // 使用 INF 表示两个顶点不能连通
    private final static int INF = Integer.MAX_VALUE;

    // 最终步骤：克鲁斯卡尔算法实现
    public void kruskal(){
        int index = 0;                 // 表示最后结果数组的索引（递增）
        int[] ends = new int[edgeNum]; // 用于保存“已有最小生成树”中的每个顶点在最小生成树中的终点
        // 创建结果数组：保存最后的最小生成树
        EData[] resultEdges = new EData[edgeNum];

        // 获取图中所有的边的集合，共 12 条
        EData[] edges = getEdges ( );
        System.out.println("图的边的集合=" + Arrays.toString(edges) + " 共"+ edges.length); //12

        // 按照边的权值大小进行排序(从小到大)
        sortEdges (edges);

        // 遍历edges 数组，将边添加到最小生成树时，判断准备加入的边是否形成回路，若没有则加入到 resultEdges，有则不加入
        for (int i = 0; i < edgeNum; i++) {
            // 获取第i条边的第一个顶点（起点）
            int p1 = getPosition (edges[i].start);// p1
            // 获取第i条边的第二个顶点（终点）
            int p2 = getPosition (edges[i].end);  // p2

            // 获取p1这个顶点在已有最小生成树中的终点
            int m = getEnd (ends, p1);
            // 获取p2这个顶点在已有最小生成树中的终点
            int n = getEnd (ends, p2);
            // 判断是否构成回路
            if (m != n) {// 没有构成回路
                ends[m] = n;                    // 设置m 在"已有最小生成树"中的终点 <E,F> [0,0,0,0,5,0,0,0,0,0,0,0]
                resultEdges[index++] = edges[i];// 一条边加入到最终数组中 resultEdges
            }
        }

        // <E,F> <C,D> <D,E> <B,F> <E,G> <A,B>
        //统计并打印 "最小生成树", 输出  resultEdges
        System.out.println("最小生成树为");
        for (int i = 0; i < index; i++) {
            System.out.println (resultEdges[i] );
        }
    }

    // 步骤一：构造器，用于初始化
    public KruskalCase(char[] vertexs, int[][] matrix) {
        // 初始化顶点数和边的个数
        int vlen = vertexs.length;

        // 初始化顶点
        // 采用复制拷贝，而不是直接使用 this.vertexs，好处是便于多次使用
        this.vertexs = new char[vlen];
        for (int i = 0; i < vlen; i++) {
            this.vertexs[i] = vertexs[i];
        }

        // 初始化邻接矩阵
        // 采用复制拷贝，而不是直接使用 this.matrix，好处是便于多次使用
        this.matrix = new int[vlen][vlen];
        for (int i = 0; i < vlen; i++) {
            for (int j = 0; j < vlen; j++) {
                this.matrix[i][j] = matrix[i][j];
            }
        }

        // 统计有效边的个数
        for (int i = 0; i < vlen; i++) {
            for (int j =i+1 ; j < vlen; j++) {
                if (matrix[i][j] != INF) {// 表示有效，可连通
                    edgeNum++;
                }
            }
        }
    }

    // 步骤三：打印邻接矩阵
    public void print() {
        System.out.println ("邻接矩阵为：\n");
        for (int i = 0; i < vertexs.length; i++) {
            for (int j = 0; j < vertexs.length; j++) {
                 System.out.printf ("%12d", matrix[i][j]);
            }
            System.out.println ( );// 换行
        }
    }

    /**
     * 步骤四：对边进行排序处理，采用冒泡排序
     *
     * @param edges 边的集合
     */
    private void sortEdges(EData[] edges) {
        for (int i = 0; i < edges.length-1; i++) {
            for (int j = 0; j < edges.length - 1 - i; j++) {
                if (edges[j].weight > edges[j + 1].weight) {
                    EData temp = edges[j];
                    edges[j] = edges[j + 1];
                    edges[j + 1] = temp;
                }
            }
        }
    }

    /**
     * 步骤五：查询顶点，返回下标
     *
     * @param ch 顶点的值，eg: 'A','B'
     * @return 返回顶点的下标，若没找到返回  -1
     */
    private int getPosition(char ch) {
        for (int i = 0; i < vertexs.length; i++) {
            if (vertexs[i] == ch) {
                return i;
            }
        }
        return -1;
    }

    /**
     * 步骤六：获取图中边，放到 EDate[] 数组中，用于后面遍历
     * <p>
     * 通过 邻接矩阵 matrix[][] 获取
     * EData[] 形式 [['A','B', 12], ['B','F',7], .....]
     *
     * @return
     */
    private EData[] getEdges() {
        int index = 0;
        EData[] edges = new EData[edgeNum];
        for (int i = 0; i < vertexs.length; i++) {
            for (int j = i + 1; j < vertexs.length; j++) {// i + 1，这里的 +1 是避免自己跟自己遍历比较
                if (matrix[i][j] != INF) {
                    edges[index++] = new EData (vertexs[i], vertexs[j], matrix[i][j]);
                }
            }
        }
        return edges;
    }

    /**
     * 步骤七：获取获取下标为 i 的顶点的终点，用于后面判断两个顶点的终点是否相同（判断是否回路）
     *
     * @param ends ：此数组记录了各个顶点对应的终点是哪个【此数组会在遍历过程中，逐步形成】
     * @param i    ：表示传入的顶点对应的下标【既要查询终点的节点】
     * @return ：返回的是为下标 i 的顶点的终点
     */
    private int getEnd(int[] ends, int i) {// i = 4 [0,0,0,0,5,0,0,0,0,0,0,0]
        while (ends[i] != 0) {
            i = ends[i];
        }
        return i;
    }
}

// 步骤二：创建一个类EData ，它的对象实例就表示一条边
class EData {
    char start;// 一条边的起点
    char end;  // 一点边的终点
    int weight;// 边的权值

    // 构造器
    public EData(char start, char end, int weight) {
        this.start = start;
        this.end = end;
        this.weight = weight;
    }

    //重写toString, 便于输出边信息
    @Override
    public String toString() {
        return "EData [<" + start + ", " + end + ">= " + weight + "]";
    }
}
